(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ヘテロ電界効果トランジスタであって、
自立の支持基体上に設けられた第１、第２及び第３の領域を有するIII族窒化物半導体領域と、
前記III族窒化物半導体領域の主面上に設けられたチャネル層及びバリア層を含む半導体積層と、
前記半導体積層の主面上に設けられた第１の電極と、
前記半導体積層の主面及び前記第２の領域上に設けられた第２の電極と、
前記半導体積層の主面上に設けられた第３の電極と
を備え、
前記チャネル層及び前記バリア層は、III族窒化物半導体からなり、
前記第１の電極は、ドレイン電極及びソース電極の一方であり、前記第１の領域上の前記チャネル層を介して前記第２の領域上の前記チャネル層に電気的に接続され、
前記第３の電極はドレイン電極及びソース電極の他方であり、前記第３の領域上の前記チャネル層を介して前記第２の領域上の前記チャネル層に電気的に接続され、
前記第１および第３の領域の主面の法線軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面及び前記III族窒化物半導体領域の無極性面に沿って延在する面に対して有限な角度で傾斜し、
前記第２の領域の主面は、前記第１及び第３の領域の主面に対して傾斜し、
前記チャネル層は前記III族窒化物半導体領域と第１のヘテロ接合を成すと共に、前記チャネル層は前記バリア層と第２のヘテロ接合を成し、前記チャネル層は圧縮歪みを内包して、前記第２の領域における前記チャネル層のピエゾ分極の方向は前記第２のヘテロ接合に向いており、前記第１及び第３の領域における前記チャネル層のピエゾ分極は前記バリア層から前記III族窒化物半導体領域への方向に向いている、ことを特徴とする半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記バリア層は引っ張り歪みを内包して、前記第２の領域における前記バリア層のピエゾ分極の方向は前記第２のヘテロ接合に向いており、前記第１及び第３の領域における前記バリア層のピエゾ分極は前記III族窒化物半導体領域から前記バリア層への方向に向いている、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記チャネル層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数は前記III族窒化物半導体領域の材料に固有のａ軸方向の格子定数より大きい、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記バリア層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数は前記チャネル層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数より小さい、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記チャネル層は、III族元素としてインジウムを含むIII族窒化物半導体からなり、
前記III族窒化物半導体領域の前記第１及び第３の領域の前記主面は、前記基準軸に直交する面に対して６３度以上８０度以下の範囲の角度を成す、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記チャネル層は、III族元素としてインジウムを含むIII族窒化物半導体からなり、
前記III族窒化物半導体領域の前記第１及び第３の領域の前記主面は、前記基準軸に直交する面に対して７０度以上８０度以下の範囲の角度を成す、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記III族窒化物半導体領域は、窒化ガリウムからなるバッファ層を含み、
前記チャネル層は前記バリア層と前記バッファ層との間に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記バッファ層の窒化ガリウムにはｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントが添加されており、
前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であると共に、前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上である、ことを特徴とする請求項７に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記ｎ型ドーパントは酸素を含む、ことを特徴とする請求項８に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
前記ｐ型ドーパントは、マグネシウム、亜鉛及び炭素の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
前記チャネル層はＩｎＧａＮ層を含み、
前記バリア層はＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層を含み、
前記III族窒化物半導体領域はＧａＮからなり、
前記支持基体は、前記半導体積層を搭載する基板を更に含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
前記バリア層はＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１３】
前記基板は半絶縁性を有する、ことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１４】
前記基板はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１５】
前記第２の電極はゲート電極であり、当該半導体ヘテロ電界効果トランジスタは、前記バリア層と前記ゲート電極との間に設けられた絶縁膜を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項１６】
前記第２の電極はゲート電極であり、前記ゲート電極は前記バリア層に接合を成す、ことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された半導体ヘテロ電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ヘテロ電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、トランジスタが記載されている。このトランジスタでは、ＧａＮ系単結晶基板上にＧａＮ系半導体層が成長される。ＧａＮ系単結晶基板は電子走行層を構成すると共に、ＧａＮ系半導体層は電子供給層を構成する。ＧａＮ系単結晶基板の主面はｍ面である。ＧａＮ系単結晶基板上のＧａＮ系半導体層の主面もｍ面である。この層構造では、ＧａＮ系単結晶基板の主面が非極性面のｍ面であるので、ＧａＮ系半導体層においてピエゾ電界が発生しない。これ故に、ゲート電極への印加電圧がゼロであるとき、二次元電子ガス層の発生が抑制され、ノーマリオフのトランジスタを提供できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３１１５３３号公報広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のようなｍ面窒化ガリウム上に作製された窒化物系ヘテロ接合電界効果トランジスタ（例えばＨＥＭＴ）では、ピエゾ電界が発生しないので、ゲート電極に印加されるバイアスがゼロであるとき、このトランジスタは、非道通になり、ノーマリオフ特性を示す。ｍ面窒化ガリウム上のＨＥＭＴは、つまりエンハンスメント型のトランジスタである。しかしながら、以下の説明されるｃ面ＧａＮ上のトランジスタと異なりシートキャリア濃度が小さく、オン抵抗が高くなる。
【０００５】
一方、ｃ面窒化ガリウム上に作製されたＨＥＭＴでは、正のピエゾ電界により発生する二次元電子ガスを利用しているので、シートキャリア濃度が非常に高く、これ故にトランジスタのオン抵抗を小さくできる。しかしながら、ｃ面窒化ガリウムでは比較的大きなピエゾ電界が生成されるので、ゲート電極に印加されるバイアスがゼロであるとき、このトランジスタは非道通にならず、ノーマリオンのトランジスタ、つまり深いディプレッション型のトランジスタである。
【０００６】
望ましくはＨＥＭＴ構造において低いオン抵抗とノーマリオフとの両立であるけれども、チャネル部において低いオン抵抗の寄与を得ながら、この寄与をチャネル部以外において除くことは有用なことである。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、少なくとも２つのヘテロ接合を有する半導体ヘテロ電界効果トランジスタにおいて、ピエゾ電界により発生するシートキャリアを利用することとこの影響をチャネル部において除くこととを可能にする構造の半導体ヘテロ電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタは、（ａ）自立の支持基体上において所定の軸の方向に順に配列された第１、第２及び第３の領域を有するIII族窒化物半導体領域と、（ｂ）前記III族窒化物半導体領域の主面上に設けられたチャネル層及びバリア層を含む半導体積層と、（ｃ）前記半導体積層の主面上に設けられた第１の電極と、（ｄ）前記半導体積層の主面及び前記第２の領域上に設けられた第２の電極と、（ｅ）前記半導体積層の主面上に設けられた第３の電極とを備える。前記チャネル層及び前記バリア層は、III族窒化物半導体からなり、前記第１の電極は、ドレイン電極及びソース電極の一方であり、前記第１の領域上の前記チャネル層を介して前記第２の領域上の前記チャネル層に電気的に接続され、前記第３の電極はドレイン電極及びソース電極の他方であり、前記第３の領域上の前記チャネル層を介して前記第２の領域上の前記チャネル層に電気的に接続され、前記第１および第３の領域の主面の法線軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面及び前記III族窒化物半導体領域の無極性面に沿って延在する面に対して有限な角度で傾斜し、前記第２の領域の主面は、前記第１および第３の領域の主面に沿って延在する面に対して傾斜し、前記チャネル層は前記III族窒化物半導体領域と第１のヘテロ接合を成すと共に、前記チャネル層は前記バリア層と第２のヘテロ接合を成し、前記チャネル層は圧縮歪みを内包して、前記第２の領域における前記チャネル層のピエゾ分極の方向は前記第２のヘテロ接合に向いており、前記第１及び第３の領域における前記チャネル層のピエゾ分極は前記バリア層から前記III族窒化物半導体領域への方向に向いている。
【０００９】
このトランジスタによれば、チャネル層は圧縮歪みを内包する。第１及び第３の領域の主面の法線軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面及び無極性面に対して有限な角度で傾斜している。この傾斜により、第１及び第３の領域上のチャネル層のピエゾ分極の方向が第１のヘテロ接合に向くので、第１及び第３の領域上における第１のヘテロ接合に沿ってチャネル層内に二次元キャリアガスが生成される。
【００１０】
また、半導体積層において、第２の領域の主面が第１及び第３の領域の主面に沿って延在する面に対して傾斜している。これ故に、第２の領域上のチャネル層のピエゾ分極の向きを第１及び第３の領域上のチャネル層のピエゾ分極の向きと異なる方向に向けることができる。ゲート電極に印加される電圧がゼロボルトのときに、第２の領域上における第１のヘテロ接合に沿ってチャネル層内に二次元キャリアガスが生成されない。これ故に、第１及び第３の領域上において二次元キャリアガスが生成されるけれども、この二次元キャリアガスはトランジスタのしきい値に影響しない。
【００１１】
さらに、第２の領域の主面が第１及び第３の領域の主面に沿って延在する面に対して傾斜している。これ故に、第２の領域上のチャネル層のピエゾ分極の向きを第１及び第３の領域上のチャネル層のピエゾ分極の向きと異なる方向に向けることができる。圧縮歪みを内包するチャネル層のピエゾ分極の方向は、第２の領域において第２のヘテロ接合に向いているので、伝導帯のバンドが、III族窒化物半導体領域へ向けてバリア層から上昇する。このため、第２のヘテロ接合におけるポテンシャルが高くなる。これ故に、当該トランジスタのしきい値を浅いディプレッション型にすることができ、或いはノーマリオフにすることができる。
【００１２】
したがって、このトランジスタは、シートキャリアの利用による低オン抵抗と深いディプレッション形成の抑制とを提供できる。
【００１３】
例えば、圧縮歪みを内包するチャネル層のピエゾ分極が比較的小さいとき、当該トランジスタのしきい値は浅いディプレッションを示すようになる。また、圧縮歪みを内包するチャネル層のピエゾ分極が比較的大きいとき、当該トランジスタはノーマリオフ特性を示すようになる。ピエゾ分極の大きさは、実用的な見地からは、チャネル層のIII族窒化物の組成や厚さ及び／又はバリア層のIII族窒化物の組成や厚さに応じて調整できる。
【００１４】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記バリア層は引っ張り歪みを内包して、前記第２の領域における前記バリア層のピエゾ分極の方向は前記第２のヘテロ接合に向いており、前記第１及び第３の領域における前記バリア層のピエゾ分極は前記III族窒化物半導体領域から前記バリア層への方向に向いていることができる。
【００１５】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記チャネル層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数は前記III族窒化物半導体領域の材料に固有のａ軸方向の格子定数より大きい。
【００１６】
このトランジスタによれば、チャネル層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数（つまり、無歪みの格子定数）がIII族窒化物半導体領域の材料に固有のａ軸方向の格子定数より大きいので、チャネル層がIII族窒化物半導体領域の主面上にコヒーレントに成長されることによって、チャネル層はIII族窒化物半導体領域から応力を受けて、チャネル層は圧縮歪みを内包することになる。
【００１７】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記バリア層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数は前記チャネル層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数より小さい。
【００１８】
このトランジスタによれば、バリア層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数がチャネル層のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数より小さいので、バリア層はチャネル層を介してIII族窒化物半導体領域から応力を受けるので、バリア層は引っ張り歪みを内包する。
【００１９】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記チャネル層は,III族元素としてインジウムを含むIII族窒化物半導体からなり、前記III族窒化物半導体領域の前記第１及び第３の領域の前記主面は、前記基準軸に直交する面に対して６３度以上８０度以下の範囲の角度を成すことが好ましい。
【００２０】
このトランジスタによれば、第１及び第３の領域のチャネル層は、上記の基準軸に直交する面に対して６３度以上８０度以下の範囲の角度を成すようにIII族窒化物半導体領域上に設けられる。この角度範囲におけるチャネル層の成長は、インジウムの取り込み性に優れる。これ故に、チャネル層の結晶品質が良好になる。チャネル層を流れるキャリアの移動度が高くなる。
【００２１】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記チャネル層は、III族元素としてインジウムを含むIII族窒化物半導体からなり、前記III族窒化物半導体領域の前記第１及び第３の領域の前記主面は、前記基準軸に直交する面に対して７０度以上８０度以下の範囲の角度を成すことが好適である。
【００２２】
このトランジスタによれば、この角度範囲におけるチャネル層の成長では、チＩｎ偏析が小さい。故に、チャネル層を流れるキャリアの移動度を更に高めることができる。
【００２３】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記III族窒化物半導体領域は、窒化ガリウムからなるバッファ層を含み、前記チャネル層は前記バリア層と前記バッファ層との間に設けられる。
【００２４】
このトランジスタによれば、バッファ層の抵抗を高比抵抗にできるので、バッファリークを低減できる。
【００２５】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記バッファ層の窒化ガリウムにはｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントが添加されていることができる。このトランジスタによれば、バッファ層の高比抵抗の実現は例えばｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの添加により実現できる。また、本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であると共に、前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることが良い。
【００２６】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記ｎ型ドーパントは酸素を含むことができる。また、本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記ｐ型ドーパントは、炭素、マグネシウム及び亜鉛の少なくともいずれかを含むことができる。これらの元素をキャリア補償のためのドーパントとして使用できる。
【００２７】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記チャネル層はＩｎＧａＮ層を含み、前記バリア層はＡｌＧａＮ層又はＧａＮ層を含み、前記III族窒化物半導体領域はＧａＮからなり、前記支持基体は、前記半導体積層を搭載する基板を更に含むことができる。このトランジスタによれば、実用的な構造の一つが提供される。
【００２８】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記基板は半絶縁性を有することができる。このトランジスタによれば、低バッファリークを提供できる。
【００２９】
本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記第２の電極はゲート電極であり、当該半導体ヘテロ電界効果トランジスタは、前記バリア層と前記ゲート電極との間に設けられた絶縁膜を更に備えることができる。このトランジスタによればゲート電極が絶縁膜上に設けられるので、トランジスタはＭＩＳ型構造を有する。或いは、本発明に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、前記第２の電極はゲート電極であり、前記ゲート電極は前記バリア層に接合を成すことができる。
【００３０】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、少なくとも２つのヘテロ接合を有する半導体ヘテロ電界効果トランジスタにおいて、ピエゾ電界により発生するシートキャリアを利用することとこの影響をチャネル部において除くこととを可能にする構造の半導体ヘテロ電界効果トランジスタを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタの構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、図１に示された半導体ヘテロ電界効果トランジスタのチャネル部を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、平坦部及び斜面部におけるバンドダイアグラムを示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタを作製する方法における主要な工程を示す工程フロー図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタを作製する方法における主要な工程を模式的示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタを作製する方法における主要な工程を模式的示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体ヘテロ電界効果トランジスタ、及び半導体ヘテロ電界効果トランジスタを製造する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３４】
図１は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタの構造を概略的に示す図面である。図２は、図１に示された半導体ヘテロ電界効果トランジスタのチャネル部を概略的に示す図面である。半導体ヘテロ電界効果トランジスタ１１は、支持基体１３と、半導体積層１５と、第１の電極１７と、第２の電極１９と、第３の電極２１とを備える。自立の支持基体１３は、III族窒化物半導体領域２３を含む。III族窒化物半導体領域２３は、所定の軸の方向に順に配列された第１、第２及び第３の領域２３ａ、２３ｂ、２３ｃを有する。半導体積層１５はチャネル層２５及びバリア層２７を含んでおり、チャネル層２５及びバリア層２７はIII族窒化物半導体領域２３の主面２３ｄ上に設けられている。第２の電極１９は、半導体積層１５の主面及び第２の領域２３ｂ上に設けられている。第１の電極１７は、半導体積層１５の主面上に設けられ、さらに、本実施例では第１の領域２３ａ上に設けられている。また、第３の電極２１は、半導体積層１５の主面上に設けられ、さらに、本実施例では第３の領域２３ｃ上に設けられている。第１の電極１７はドレイン電極及びソース電極の一方であり、第３の電極２１はドレイン電極及びソース電極の他方である。第２の電極１９は、バリア層２７を介してチャネル層２５に電界を及ぼすゲート電極である。第１の電極１７は、第１の領域２３ａ上のチャネル層２５を介して第２の領域２３ｂ上のチャネル層２５に電気的に接続され、キャリアが流れる。第３の電極２１は、第３の領域２３ｃ上のチャネル層２５を介して第２の領域２３ｂのチャネル層２５に電気的に接続され、キャリアが流れる。
【００３５】
図２を参照すると、半導体領域１５においては、第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃの主面２４ａ、２４ｃの法線軸（法線ベクトルＮＶ１、ＮＶ３として表される）は、該III族窒化物半導体のｃ軸に沿って延びる基準軸（ｃ軸ベクトルＣＶとして表される）Ｃｘに直交する面及び無極性面（例えば、III族窒化物半導体のａ面及びｍ面）に沿って延在する面に対して有限な角度で傾斜する。第２の領域２３ｂの主面２４ｂに沿って延在する面は、第１の領域２３ａの主面２４ａの法線軸（法線ベクトルＮＶ１として表される）に対して傾斜する。第２の領域２３ｂの主面２４ｂに沿って延在する面は、第３の領域２３ｃの主面２４ｃの法線軸（法線ベクトルＮＶ３として表される）に対して傾斜する。第２の領域２３ｂの主面２４ｂに沿って延在する面は無極性面（例えば、III族窒化物半導体のａ面及びｍ面）に沿って延在する面に対して傾斜することができる。
【００３６】
チャネル層２５は第１の面２６ａと第２の面２６ｂとを有し、第２の面２６ｂは第１の面２６ａの反対側にある。チャネル層２５の第１の面２６ａはIII族窒化物半導体領域と第１のヘテロ接合３３を成すと共に、チャネル層２５の第２の面２６ｂはバリア層２７と第２のヘテロ接合３５を成す。
【００３７】
歪みを内包するチャネル層２５の第２の領域２５ｂのピエゾ分極ＰＺＣ２はチャネル層２５の第１の面２６ａから第２の面２６ｂへの方向に向き、チャネル層２５の第１及び３の領域２５ａ、２５ｃのピエゾ分極ＰＺＣ１、ＰＺＣ３は、チャネル層２５の第２の面２６ｂから第１の面２６ａへの方向に向く。歪みを内包するバリア層２７の第２の領域２７ｂのピエゾ分極ＰＺＢ２はチャネル層２５の第２の面２６ｂから第１の面２６ａへの方向に向き、バリア層２７の第１及び３の領域２７ａ、２７ｃのピエゾ分極ＰＺＢ１、ＰＺＢ３は、チャネル層２５の第１の面２６ａから第２の面２６ｂへの方向に向く。
【００３８】
また、チャネル層２５は圧縮歪みを内包して、図２に示されるように、チャネル層２５の第２の領域２５ｂにおけるピエゾ分極ＰＺＣ２の方向及びバリア層２７の第２の領域２７ｂのピエゾ分極ＰＺＢ２の方向は第２のヘテロ接合３５に向いている。第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃにおけるチャネル層２５の第１及び第３の領域２５ａ、２５ｃのピエゾ分極ＰＺＣ１、ＰＺＣ３はバリア層２７からIII族窒化物半導体領域２３への方向に向いている。第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上におけるバリア層２７の第１及び第３の領域２７ａ、２７ｃのピエゾ分極ＰＺＢ１、ＰＺＢ３はチャネル層２５からIII族窒化物半導体領域２３への方向に向いている。
【００３９】
このトランジスタ１１によれば、チャネル層２５は圧縮歪みを内包する。第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃの主面の法線軸は、該III族窒化物半導体２３のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面及び無極性面に対して有限な角度で傾斜している。この傾斜により、第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上のチャネル層２５のピエゾ分極ＰＺＣ１、ＰＺＣ３の方向が第１のヘテロ接合３３に向くので、第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上における第１のヘテロ接合３３に沿ってチャネル層２５内に二次元キャリアガスが生成される。
【００４０】
また、半導体積層１５において、第２の領域２３ｂの主面が第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃの主面に沿って延在する面に対して傾斜している。これ故に、第２の領域２３ｂ上のチャネル層２５のピエゾ分極ＰＺＣ２の向きを第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上のチャネル層２５のピエゾ分極ＰＺＣ１、ＰＺＣ３の向きと異なる方向に向けることができる。ゲート電極１９に印加される電圧がゼロボルトのときに、第２の領域２３ｂ上における第１のヘテロ接合３３に沿ってチャネル層２５内に二次元キャリアガスが生成されない。これ故に、第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上において二次元キャリアガスが生成されるけれども、この二次元キャリアガスはトランジスタ１１のしきい値に影響しない。
【００４１】
さらに、第２の領域２３ｂの主面が第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃの主面に沿って延在する面及び無極性面に対して傾斜している。これ故に、第２の領域２３ｂ上のチャネル層２５のピエゾ分極ＰＺＣ２の向きを第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上のチャネル層２５のピエゾ分極ＰＺＣ１、ＰＺＣ３の向きと異なる方向に向けることができる。圧縮歪みを内包するチャネル層２５のピエゾ分極ＰＺＣ２の方向は、第２の領域２３ｂにおいて第２のヘテロ接合３５に向いているので、伝導帯のバンドが、III族窒化物半導体領域２３へ向けてバリア層２７から上昇する。この傾斜により、第２のヘテロ接合３５におけるポテンシャルが高くなる。これ故に、当該トランジスタ１１のしきい値を浅いディプレッション型にすることができ、或いはノーマリオフにすることができる。また、必要な場合には、第２の領域２３ｂの主面は無極性面に対して傾斜している。
【００４２】
したがって、このトランジスタ１１は、シートキャリアの利用による低オン抵抗と深いディプレッション形成の抑制とを提供できる。
【００４３】
例えば、圧縮歪みを内包するチャネル層２５のピエゾ分極が比較的大きいとき、当該トランジスタ１１はノーマリオフ特性を示すようになる。また、圧縮歪みを内包するチャネル層２５のピエゾ分極が比較的小さいとき、当該トランジスタ１１のしきい値は、深いディプレッションではなく浅いディプレッションを示すようになる。ピエゾ分極の大きさは、実用的な見地からは、チャネル層２５のIII族窒化物の組成や厚さ及び／又はバリア層２７のIII族窒化物の組成や厚さに応じて調整できる。しかしながら、ピエゾ電界の大きさは結晶の面方位や組成等に複雑に関連している。
【００４４】
半導体ヘテロ電界効果トランジスタ１１では、バリア層２７は引っ張り歪みを内包して、第２の領域２３ｂにおけるバリア層２７のピエゾ分極の方向は第２のヘテロ接合３５に向いており、第１及び第３の領域２３ａ、２３ｂにおけるバリア層２７のピエゾ分極はIII族窒化物半導体領域２３からバリア層２７への方向に向いていることができる。バリア層はチャネル層よりもバンドギャップエネルギーが大きいため、図３のように、チャネル層内に２次元電子ガスを有効に閉じ込めることができる。
【００４５】
トランジスタ１１は、バリア層２７とゲート電極１９との間に設けられた絶縁膜３９を更に備えることができる。このトランジスタ１１によれば、ゲート電極１９が絶縁膜３９上に設けられるので、トランジスタ１１はＭＩＳ型構造を有する。絶縁膜３９は、例えばアルミニウム酸化膜及びシリコン酸化膜の少なくともいずれかを含む。ＭＩＳ型構造の場合はゲート電極に大きな正の電圧（例えば＋２ボルトより大きい電圧）を印加することにより、ゲート電圧０Vでノーマリオフ状態であった領域のチャネルに、高濃度の電子を誘起できる。その結果、大きな電流を得ることができる。しかしながら、トランジスタ１１がＭＩＳ型構造に限定されるものではない。トランジスタ１１では、ゲート電極１９はバリア層２７にショットキ接合を成すことができる。引き続く説明では、トランジスタ１１はＭＩＳ型構造を有する。
【００４６】
トランジスタ１１では、III族窒化物半導体領域２３は、窒化ガリウムからなるバッファ層４１を含む。チャネル層２５はバリア層２７とバッファ層４１との間に設けられる。このトランジスタ１１によれば、バッファ層４１の抵抗を高比抵抗にできるので、バッファリークを低減できる。III族窒化物半導体領域２３は、例えばバッファ層４１及びアンドープ半導体層４３を含むことができる。例えば、バッファ層４１は窒化ガリウムからなることができる。アンドープ半導体層４３は窒化ガリウムからなることができる。
【００４７】
トランジスタ１１では、バッファ層４１の窒化ガリウムにはｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントが添加されていることができる。これらのドーパントをキャリア補償のために使用できる。バッファ層４１の高比抵抗の実現は例えばｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの添加により実現できる。また、ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることが良い。ｎ型ドーパントは酸素を含むことができる。ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることが良い。ｐ型ドーパントは、炭素、マグネシウム及び亜鉛の少なくともいずれかを含むことができる。
【００４８】
トランジスタ１１では、チャネル層２５は例えばＩｎＧａＮ層を含むことができる。バリア層２７は例えばＡｌＧａＮ層を含むことができる。III族窒化物半導体領域２３は例えばＧａＮからなることができる。支持基体１３は、半導体積層１５を搭載する基板４５を更に含むことができる。このトランジスタ１１によれば、実用的な構造の一つが実現される。基板４５は半絶縁性を有することができる。このトランジスタ１１によれば、低バッファリークを提供できる。トランジスタ１１では、上記の例に限定されることなく、チャネル層２５は、二元、三元や四元のIII族窒化物、例えばＡｌＧａＩｎＮ(格子定数d1、バンドギャップＥｇ１、d1>d3)、ＩｎＧａＮ又はＩｎＮを含むことができる。バリア層２７は、二元、三元や四元のIII族窒化物、例えばＡｌＧａＩｎＮ(格子定数d2、バンドギャップＥｇ２、Eg2>Eg1)、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを含むことができる。III族窒化物半導体領域２３は、二元、三元や四元のIII族窒化物、例えばＡｌＧａＩｎＮ (格子定数d3、バンドギャップＥｇ３)又はＧａＮからなることができる。
【００４９】
トランジスタ１１では、チャネル層２５のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数（つまり、無歪みの格子定数）はIII族窒化物半導体領域２３の材料に固有のａ軸方向の格子定数より大きいとき、チャネル層２５がIII族窒化物半導体領域２３の主面上にコヒーレントに成長されることによって、III族窒化物半導体領域２３から応力をチャネル層２５が受けて、チャネル層２５は圧縮歪みを内包することになる。また、バリア層２７のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数はチャネル層２５のIII族窒化物に固有のａ軸方向の格子定数より小さいとき、バリア層２７がチャネル層２５を介してIII族窒化物半導体領域２３から応力を受けて、チャネル層２５は圧縮応力を内包する一方、バリア層２７は引っ張り歪みを内包する。
【００５０】
図１及び図２に示されたトランジスタ１１の一例は、ピエゾ電界により発生するシートキャリアの利用とチャネル部におけるピエゾ電界により深いディプレッション形成の抑制との両立できる。この半導体ヘテロ電界効果トランジスタは以下の構造を有する。幾何学的な構造の一例として、III族窒化物半導体領域２３の第２の領域２３ｂの主面の法線軸ＮＶ２と第１の領域２３ａの主面の法線軸ＮＶ１との成す角度は１８０度より大きく２７０度未満の角度範囲にあることができる。また、III族窒化物半導体領域２３の第２の領域２３ｂの主面の法線軸ＮＶ２と第３の領域２３ｃの主面の法線軸ＮＶ３との成す角度は９０度より大きく１８０度未満の角度範囲にあることができる。
【００５１】
また、図１及び図２に示されたトランジスタ１１の一例は、ピエゾ電界により発生するシートキャリアの利用とチャネル部におけるピエゾ電界により深いディプレッション形成の抑制との両立でき、さらに、好ましいピエゾ電界の大きさを提供できる形態は、ノーマリオフ特性を実現できる。この半導体ヘテロ電界効果トランジスタは以下の構造を有する。例えば、III族窒化物半導体領域２３の第１の領域２３ａの主面は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して４０度以上９０度以下または１４０度以上１８０度以下の範囲の角度を成すことができる。また、III族窒化物半導体領域２３の第２の領域２３ｂの主面は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して０度以上４０度未満または９０度より大きく１４０度未満の範囲の角度を成すことができる。さらに、III族窒化物半導体領域２３の第３の領域２３ｃの主面は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して４０度以上９０度以下または１４０度以上１８０度以下の範囲の角度を成すことができる。III族窒化物半導体領域２３の主面が例えばｃ面と成す角度に応じて、チャネル層２５におけるピエゾ分極の大きさ及び向きが調整される。傾斜の方向は、例えばIII族窒化物半導体領域２３のｍ軸方向又はａ軸方向であることができる。傾斜角により提供される好適な面方位は、例えば｛２０−２１｝面（ｍ軸方向７５度の角度で傾斜した面）である。
【００５２】
トランジスタ１１における上記の一例は、以下の構造を有することができる。第１の領域２３ａ上においては、第１のヘテロ接合３３は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して４０度以上９０度以下または１４０度以上１８０度以下の範囲の角度を成す。また、第２の領域２３ｂ上においては、第１のヘテロ接合３３は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して０度以上４０度未満または９０度より大きく１４０度未満の範囲の角度を成す。さらに、第３の領域２３ｃ上においては、第１のヘテロ接合３３は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して４０度以上９０度以下または１４０度以上１８０度以下の範囲の角度を成す。第１のヘテロ接合３３が例えばｃ面と成す角度に応じて、チャネル層２５におけるピエゾ分極の大きさ及び向きが調整される。
【００５３】
トランジスタ１１における上記の一例は、以下の構造を有することができる。第１の領域２３ａ上においては、第２のヘテロ接合３５は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して４０度以上９０度以下または１４０度以上１８０度以下の範囲の角度を成す。また、第２の領域２３ｂ上において、第２のヘテロ接合は３５は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して０度以上４０度未満または９０度より大きく１４０度未満の範囲の角度を成す。第３の領域２３ｃ上においては、第２のヘテロ接合３５は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して４０度以上９０度以下または１４０度以上１８０度以下の範囲の角度を成す。第２のヘテロ接合３５が例えばｃ面と成す角度に応じて、チャネル層２５におけるピエゾ分極の大きさ及び向きが調整される。
【００５４】
好適な一例では、第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上の第１のヘテロ接合３５は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して傾斜する面に沿って延在することが好ましい。圧縮歪みのチャネル層に起因する二次元電子ガスにより、オン抵抗を低減できる。また、第２の領域２３ｂ上の第１のヘテロ接合３５は、基準軸Ｃｘに直交する面（ｃ面）に沿って延在することが好ましい。圧縮歪みのチャネル層を利用してチャネルの形成を避けることができる。
【００５５】
第２の領域２３ｂ上の第２のヘテロ接合３５は、例えば基準軸Ｃｘに直交する面に沿って延在することができる。第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃ上の第２のヘテロ接合３５は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して傾斜した面に沿って延在することができる。III族窒化物半導体領域２３の第１の領域２３ａの主面は半極性面からなり、第３の領域２３ｃの主面は半極性面からなることができる。ピエゾ電界に起因する二次元電子ガスにより、オン抵抗を低減できる。
【００５６】
好適な実施例のための半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、チャネル層２５は、III族元素としてインジウムを含むIII族窒化物半導体からなる。III族窒化物半導体領域２３の第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃの主面は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して６３度以上８０度以下の範囲の角度を成す。このトランジスタ１１によれば、チャネル層２５の第１及び第３の領域２５ａ、２５ｃは、上記の基準軸Ｃｘに直交する面に対して６３度以上８０度以下の範囲の角度を成すようにIII族窒化物半導体領域２３上に設けられる。この角度範囲におけるチャネル層２５の成長は、インジウムの取り込み性に優れる。これ故に、チャネル層２５の結晶品質が良好になる。チャネル層を流れるキャリアの移動度が高くなる。
【００５７】
好適な実施例のための半導体ヘテロ電界効果トランジスタでは、III族窒化物半導体領域２３の第１及び第３の領域２３ａ、２３ｃの主面は、基準軸Ｃｘに直交する面に対して７０度以上８０度以下の範囲の角度を成すことが好適である。この角度範囲におけるチャネル層２５の成長では、Ｉｎ偏析が小さい。故に、チャネル層２５を流れるキャリアの移動度を更に高めることができる。
【００５８】
図３は、平坦部及び斜面部におけるバンドダイアグラムを示す図面である。平坦部は、第１の領域２３ａ、２５ａ、２７ａ又は第３の領域２３ｃ、２５ｃ、２７ｃからなる。斜面部は、第２の領域２３ｂ、２５ｂ、２７ｂからなる。
【００５９】
図３（ａ）を参照すると、チャネル部におけるバンドダイアグラムが示されている。ゲート電極１９の直下のチャネル層２５の第２の部分２５ｂでは、ゲート電圧１９に印加される電圧Ｖｇがゼロであるとき、チャネル層２５には第１のヘテロ接合に二次元電子ガスが誘起されることがない。また、第２のヘテロ接合にも二次元電子ガスが誘起されない構造を形成可能になる。一方、この構造では、ゲート電圧１９に印加される電圧Ｖｇがゼロより大きいある電圧になるとき、チャネル層２５の第１のヘテロ接合に二次元電子ガスが誘起される。したがって、トランジスタ１１はノーマリオフ特性を示す。
【００６０】
図３（ｂ）を参照すると、チャネル部とソース電極及びドレイン電極との間の延長部におけるバンドダイアグラムが示されている。III族窒化物半導体領域２３の第１の領域２３ａ上においては、チャネル層２５の第１の領域２５ａには二次元電子ガスが誘起される。また、III族窒化物半導体領域２３の第３の領域２３ｃ上においては、チャネル層２５の第３の領域２５ｃには二次元電子ガスが誘起される。したがって、トランジスタ１１は、二次元電子ガスによりシートキャリアの助けにより、低オン抵抗を示す。
【００６１】
図４は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタを作製する方法における主要な工程を示す工程フロー図である。図５及び図６は、本実施の形態に係る半導体ヘテロ電界効果トランジスタを作製する方法における主要な工程を模式的示す図面である。工程Ｓ１０１では、所定の面方位のIII族窒化物基板を準備する。III族窒化物基板しては。例えばＧａＮ等を用いられる。本実施例では、III族窒化物基板の主面は、上記の平坦部を提供できる面方位を有することができる。本実施例では、｛２０−２１｝面ＧａＮ基板を用いる。なお、必要な場合には、III族窒化物基板の主面は、上記の斜面部を提供できる面方位を有することができる。
【００６２】
工程Ｓ１０２では、図５（ａ）に示されるように、III族窒化物基板を加工して、デバイス基板５１を形成する。デバイス基板５１は、ソース領域５１ａ、ドレイン領域５１ｃ、及びチャネル部５１ｂを有する。本実施例では、チャネル部５１ｂの主面がソース領域５１ａの主面に対して傾斜しており、ドレイン領域５１ｃの主面がソース領域５１ａの主面に対して傾斜している。チャネル部５１ｂの傾斜は例えばエッチングにより形成され、またドレイン領域５１ｃのための凹部は例えばエッチングにより形成される。これらのエッチングの具体例は、例えばＩＣＰ−ＲＩＥによる選択エッチングである。チャネル部５１ｂの傾斜角には、既に例示的に説明した様々な値を適用できる。本実施例では、ソース領域５１ａ及びドレイン領域５１ｃは、図３に示された平坦部を構成し、チャネル部５１ｂは、図３に示された斜面部を構成する。
【００６３】
工程Ｓ１０３では、図５（ｂ）に示されるように、デバイス基板５１の主面上にバッファ層５３を成長する。バッファ層５３は例えばＧａＮからなることができる。必要な場合には、バッファ層５３を成長することができる。
【００６４】
このバッファ層５３は、例えば以下のようなものである。バッファ層５３の抵抗を高比抵抗にできるので、バッファリークを低減できる。例えば、バッファ層５３は窒化ガリウムからなることができる。
【００６５】
また、バッファ層５３の窒化ガリウムにはｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントが添加されていることができる。これらのドーパントをキャリア補償のために使用できる。バッファ層５３の高比抵抗の実現は例えばｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの添加により実現できる。また、ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることが良い。ｎ型ドーパントは酸素を含むことができる。ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上であることが良い。ｐ型ドーパントは、炭素、マグネシウム及び亜鉛の少なくともいずれかを含むことができる。
【００６６】
工程Ｓ１０４では、図５（ｃ）に示されるように、デバイス基板５１の主面上にチャネル層５５を成長する。チャネル層５５は例えばＩｎＧａＮからなることができる。
【００６７】
工程Ｓ１０５では、図５（ｃ）に示されるように、デバイス基板５１の主面上にバリア層５７を成長する。バリア層５７は例えばＡｌＧａＮからなることができる。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅが形成される。エピタキシャル基板Ｅは、２つのヘテロ接合５９ａ、５９ｂを含む。
【００６８】
工程Ｓ１０６では、図６（ａ）の平面図及び図６（ｂ）の断面図に示されるように、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａ並びにゲート絶縁膜６５及びゲート電極６７ａを形成する。ソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａは半導体領域にオーミック接触６９を成す。本実施例では、ゲート電極６７ａを傾斜面上の絶縁膜６５上に形成すると共に、ゲート電極６７ａとソース電極６１ａとの間のキャリア走行延長部及びゲート電極６７ａとドレイン電極６３ａとのキャリア走行延長部を平坦部に形成している。斜面部におけるヘテロ接合は、ｃ面に平行な面又はｃ面と同様に極性を示す面方位に沿って延在している。また、平坦部におけるヘテロ接合は、ｃ面に対して傾斜してシートキャリアを提供できる面に沿って延在している。
【００６９】
図６（ｃ）の平面図及び図６（ｄ）の断面図に示されるように、基板５２を用いて、エピタキシャル基板を作製した後に、このエピタキシャル基板上にソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａ並びにゲート絶縁膜６５及びゲート電極６７ａを形成してもよい。ソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａは半導体領域にオーミック接触６９を成す。本実施例では、ゲート電極６７ａを平坦部上の絶縁膜６５上に形成すると共に、ゲート電極６７ａとソース電極６１ａとの間のキャリア走行延長部及びゲート電極６７ａとドレイン電極６３ａとのキャリア走行延長部を傾斜部に形成している。チャネル部におけるヘテロ接合は、ｃ面に平行な基準面に沿って延在することが好ましい。このヘテロ接合は、ｃ面に平行な面又はｃ面と同様に極性を示す面方位に沿って延在している。また、平坦部におけるヘテロ接合は、ｃ面に対して傾斜してシートキャリアを提供できる面に沿って延在している。
【００７０】
上記の実施の形態において、必要な場合には、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａ直下の半導体領域に高濃度のドーパントを添加することができる。また、必要な場合には、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａ直下のバリア層を選択的に除去して、ソース電極６１ａ及びドレイン電極６３ａがチャネル層にオーミック接触６９を成すようにしても良い。
【００７１】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、少なくとも２つのヘテロ接合を有する半導体ヘテロ電界効果トランジスタにおいて、ピエゾ電界により発生するシートキャリアを利用することとこの影響をチャネル部において除くこととを可能にする構造の半導体ヘテロ電界効果トランジスタを提供する。また、少なくとも２つのヘテロ接合を有する半導体ヘテロ電界効果トランジスタにおいて、ピエゾ電界により発生するシートキャリアの利用とチャネル部におけるピエゾ電界により深いディプレッション形成の抑制とを提供できる半導体ヘテロ電界効果トランジスタを提供できる。さらに、本発明の好適な実施の形態によれば、少なくとも２つのヘテロ接合を有する半導体ヘテロ電界効果トランジスタにおいて、ピエゾ電界により発生するシートキャリアの利用とチャネル部におけるピエゾ電界によりノーマリオフ特性とを提供できる半導体ヘテロ電界効果トランジスタを提供できる。
【００７２】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００７３】
１１…半導体ヘテロ電界効果トランジスタ、１３…支持基体、１５…半導体積層、１７…第１の電極、１９…第２の電極、２１…第３の電極、２３…III族窒化物半導体領域、２５…チャネル層、２７…バリア層、ＰＺＣ１、ＰＺＣ２、ＰＺＣ３…チャネル層のピエゾ分極、ＰＺＢ１、ＰＺＢ２、ＰＺＢ３…バリア層のピエゾ分極、３９…絶縁膜、４１…バッファ層  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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